摘 要：介绍一种基于MSP430微控制器的低功耗直行程智能阀门定位器，设计一种新型非接触阀位检测装置，并应用于直行程阀门定位器，详细分析其硬件系统设计、软件系统设计、关键技术等内容，实现直行程智能阀门定位器的精确控制和自诊定功能。产品定位精度等性能显著提升，产品整体水平具有行业领先优势。系统调试及第三方测试结果表明该智能阀门定位器精度高，动态性能好，符合工业过程控制标准。

关键字：低功耗 直行程 阀门定位器

1 引言

阀门定位器是气动执行器的主要附件，与气动执行器配套使用可组成闭环回路，利用负反馈原理来改善调节阀的定位精度和特性曲线，从而使调节阀能按控制信号实现准确定位。广泛应用于石油、化工、炼油、化肥、化纤、发电等工业领域。它以压缩空气为动力源，接收DCS系统（或调节器）的控制量电信号，如4~20mA两线电流信号，与阀位检测装置获取的阀位比较，调节进入气动执行机构的气压改变调节阀的开度，进而调节生产装置的介质流量达到要求。气动执行机构系统结构如图1所示。

图1 气动执行机构系统结构

自上世纪80年代末开始，国外一些大型自动化设备供应，如SIEMENS、azbil、FISHER、ABB、ROSEMOUNT等，陆续开发出了智能型阀门定位器。其技术特点包括：具有人机交互功能、采用工作参数组态通用性强、安装自动调校、故障诊断与处理、数字信号通信以及高的技术性能；并广泛应用于石油、炼化、化工、化纤、发电等工业领域，其产品在一定程度上已垄断了中国国内市场，并对国产智能阀门定位器产品造成了很大冲击。目前，国外技术成熟SIEMENS和azbil产品的技术性能，代表了当今智能阀门定位器的世界先进水平。

我国目前生产的阀门定位器大多是基于喷嘴挡板工作原理的机械式定位器，该结构存在以下几种缺陷：连杆式阀位检测装置有可能会锁死，导致整机无法正常运转、易受环境振动影响、控制精度低、运行周期短及存在人身伤害的风险。自2000年开始，国内很多公司也在研发智能型阀门定位器，并且实现了很好的技术指标。重庆川仪总厂的HVP型压电阀式智能电气阀门定位器，吴忠仪表的SEP型力矩马达式智能电气阀门定位器、南京易捷自动测试技术有限责任公司的ET-SP2智能总线阀门定位器代表了目前国内智能电气阀门定位器的发展水平，其技术均已达到国际先进水平，产品覆盖了高端和低端的应用需求。

本公司经过近几年的科研攻关，研制了1款两线制低功耗直行程智能阀门定位器，非接触阀位检测技术的应用大大提高产品的寿命。与传统的智能阀门定位器相比，该款智能阀门定位器具有非接触、无机械磨损、抗振动、长寿命、高精度等一系列优点。

2 智能阀门定位器工作原理

智能阀门定位器是控制阀的主要附件，它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号，以控制器输出信号作为设定信号，进行比较。当两者有偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移与控制器输出信号之间的一一对应关系。因此，阀门定位器组成以控制器输出为设定信号，以阀杆位移为测量信号的反馈控制系统。该控制系统的操纵变量是阀门定位器去执行机构的输出信号。主要由以下几部分组成：

（1）信号调理部分：将4~20mA输入信号和阀位反馈信号转换为微控制器所能接收的数字信号；

（2）阀位检测装置：检测执行机构的阀杆位移并将其转换为电信号反馈到阀门定位器的信号调理部分；

（3）控制器部分：微控制器将送入的两个信号按照预先设定的流量特性关系进行转换和比较，判断阀门开度是否与设定信号相对应，并根据比较结果输出控制信号至电气转换控制部分；

（4）电气转换控制：将输入的控制电信号转换为气流开关信号送至气动执行机构，推动调节机构动作。

3 低功耗硬件系统设计

低功耗直行程智能阀门定位器电路工作原理如下图2所示。输入电流信号范围为4~20mA，此信号既作为定位信号，又提供阀门定位器所需要的全部功率，因此该定位器要求在4mA电流下能正常工作，这就要求该定位器设计时需要充分考虑各器件的功率消耗。硬件部分包括前端电源模块、信号调理通道、阀位检测反馈装置，控制单元及人机界面。

图2 低功耗直行程智能阀门定位器电路工作原理

3.1 前端电源模块

定位器输入4~20mA的电流信号，而硬件电路中信号调理电路、控制器以及反馈电路的工作需要一组电压信号，所以前端电源模块要实现电流/电压转换电路。稳定的电源电压有利于提高信噪比，从而提高控制精度，因此在电源模块设计时还考虑了对电源电压波动的处理以及数字电源与模拟电源之间的隔离。图3为前端电源模块的设计原理图。输入4~20mA的电流信号经过3个并联7.5V稳压二极管转换得到电压信号，这样得到系统的最小功耗为30mW。为满足微控制器、外围信号调理电路、阀位检测电路、LCD液晶显示屏驱动电路正常工作的电流需求，采用NI公司的LP2951-3.3芯片进行电压转换，把7.5V电压降低3.3V，从而提高了可使用的电流。该定位器所驱动的开关式压电阀使用24V供电，因此需要通过升压电路实现24V电压的输出，用来驱动压电阀控制进入气动执行机构的气压。升压芯片采用的是MAXIM公司的MAX1771可调节、低功耗DC/DC升压集成芯片。

图3 3.3VDC电压转换电路设计

3.2 信号调理通道

4~20mA电流输入信号除了为定位器提供工作能量之外，还用于阀杆定位控制，所以需要对4~20mA电流信号进行采样，滤波，实现电流/电压转换，以便微控制器ADC通道采集信号。为满足高精度和低功耗性能要求，设计时选择低功耗、高集成微控制器（MCU）。微控制器选用TI公司的MSP430单片机为核心。控制信号4~20mA通过采样电阻转换成电压信号，经过低功耗放大器LT16373的滤波、放大后由MCU中第1路ADC采集得到数字值。4~20mA电流采样电路如下图4所示。

图4 4~20mA电流信号采样电路

3.3 阀位检测反馈装置

不同的被控阀门工作行程不一样，为提高定位器的控制精度，本公司针对直行程阀门定位器设计了一种新型非接触阀位检测反馈装置。该阀位检测反馈装置由微功率线性霍尔效应传感器、磁钢组件组成。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种新型磁通强度传感器，当用于测量磁场中物体位移时，又称霍尔位移传感器，通过检测永磁磁场中，不同位置处的磁通量的变化，来探测物体的位移量。磁钢组件与阀杆刚性连接，阀杆上下移动时，磁钢组件会随之上下移动，磁钢组件内部不同位置通过导磁片产生的磁场的产生线性改变，霍尔传感器通过检测不同位置处的磁通量的变化，来探测物体的位移量。图5位非接触阀位检测技术原理示意图。

图5 非接触阀位检测技术原理示意图

霍尔传感器输出电压值与阀杆移动位置成线性关系，通过采样霍尔传感器输出电压值实现阀位信号的拾取。选择低功耗放大器LT16373对霍尔传感器输出的电压信号进行跟随处理后，提高其驱动能力，选择MCU中第2路ADC采集得到数字值。霍尔传感器信号处理电路如图6所示。

图6 霍尔传感器信号处理电路

3.4 控制单元

微控制器通过A/D采集通道分别采集4~20mA输入信号和阀位反馈信号。微控制器将两种信号进行对比，依据相应的PID控制算法，输出PWM波控制驱动压电阀，控制阀杆实现相应功能。

微控制器是阀门定位器的核心，负责响应外界信号输入及人机界面操作。阀位控制、阀位测量反馈两路模拟输入信号经过滤波、调理、放大，使实时阀位控制信号（电流信号）、阀位反馈信号（电压信号）成为符合微控制器A/D模块的采样要求，传送给微控制器进行相应的处理。

人机通道部分中的开关按键部分提供了操作者对系统操作的一种简便途径。它接受操作者操作，进行相应的去抖动处理后传送给微控制器，作为它的输入信号。LCD部分提供了友好直观的界面，以让操作者方便地了解系统当前的工作状况及相关的系统信息。

压电阀PWM驱动与控制电路部分对微控制器输出信号进行处理，实现了低电平到高电平的转换，进而控制开关式压电阀动作，使得定位器阀杆进行相应的动作，实现控制目的。图7为开关式压电阀驱动电路。

图7 开关式压电阀驱动电路

4 软件系统设计

该智能型阀门定位器主控芯片选用的是TI公司的MSP430F449型16位微控制器。系统软件开发所使用的平台为IAR开发环境。为实现4~20mA两线制低功耗的要求，不仅硬件电路选用低功耗器件，微控制器必须具备超低的工作电流，通过休眠、中断工作方式相结合实现整机的低功耗。软件系统包括主程序与中断处理程序，开机首先完成参数初始化，然后进入行程整定、设备配置参数初始化，进入定位器低功耗运行模式。程序运行过程中，微控制器通过读入实时控制及阀位信号，计算隶属度，通过查询模糊规则表，完成计算控制量PID参数，从而调整输出参数，如图8所示。该系统软件具备如下功能：①本地显示；②选择模式；③参数设定；④初始化，自整定；⑤自诊断；⑥失控保护；⑦控制方式：等比快开快关、线性方式；⑧报警。

图8 主程序流程

5 关键技术

（1）超低功耗技术的实现。电源单元是主控电路板的核心电路之一，用以产生3V、24V等数组电压，应用基于高效电荷泵的DC-DC升压技术，有效降低了电能消耗。通过硬件设计与软件编程相结合，确保系统能够在输入电流小于3.5mA甚至更低的情况下，可靠启动并正常运行。

（2）非接触式阀位检测反馈技术。采用低功耗线性位移霍尔传感技术进行直行程阀位检测。避免由于机械连接产生的机械磨损，便于安装调整、减少维修，实现高精度检测。

6 结论

本文介绍了北京京仪海福尔自动化仪表有限公司自主研发的两线制低功耗直行程智能阀门定位器，已经完成样机设计。通过对整个智能阀门定位器系统进行测试，定位器能够在4~20mA两线供电的情况下稳定工作，并且实现了预期的技术指标。产品主要技术指标经过了上海仪器仪表自控系统检验测试所测试。满足GB/T22137.2-2008《工业过程控制系统用阀门定位器第2部分：气动输出智能阀门定位器性能评定方法》中提出的技术指标。 

品主要技术指标经过了上海仪器仪表自控系统检验测试所测试。满足GB/T22137.2-2008《工业过程控制系统用阀门定位器第2部分：气动输出智能阀门定位器性能评定方法》中提出的技术指标。